香梨跌落碰撞接触应力分布特性及损伤估测

孙慧杰 吴 杰 冯 哲

SUN Hui－jieWU JieFENG Zhe

（1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832003；

2.教育部绿洲特色经济作物生产机械化工程研究中心，新疆 石河子832003）

库尔勒香梨在整个流通链中要经过采摘、分级、储藏和销售等环节，这些环节的机械化和自动化作业会产生香梨与接触件的碰撞损伤，从而导致香梨品质和商品率降低［1］。因此需要对香梨与不同材料的碰撞特性进行研究，为香梨机械化和自动化作业过程的减损设计提供指导。

梨果碰撞后的损伤部位会发生褐变，由于褐变面积易于观察和测量，已成为实践中梨果碰撞损伤判断及外观等级划分的主要依据［2，3］。例如，在梨果品质分级标准中就有明确规定［4］，一级果碰压面积≤50mm2，二级果碰压面积≤100mm2。已有的研究［5，6］发现，梨果受载时的接触应力分布与损伤面积有直接的关系，因而成为果实损伤研究重要的切入点。早期，对于具有复杂几何特征的果品，传统力学测试仪器还很难实现其受载的接触应力分布测量，尽管可采用Hertz弹性接触公式进行理论计算，但是果实的各向异性和粘弹特性使Hertz公式计算的接触应力分布结果误差很大［7］。最近，美国和日本研制的感压胶片作为一种非破坏式的测量方法，实现了柔性材料和具有曲面特征的材料的不同受载条件下的接触应力分布测量分析，并在医学生物组织工程领域得到很好的应用［8］。最近，有研究者［9，10］利用感压胶片成功实现了梨果跌落碰撞时接触应力分布与损伤关系的测量分析，但是对香梨与不同常用接触材料的碰撞特性以及损伤面积估测时所对应的应力面积范围并没有具体研究。本试验采用感压胶片对香梨跌落碰撞不同接触材料时的接触应力分布进行测量分析，以探讨接触应力分布与其损伤面积的关系，实现香梨碰撞损伤面积的准确估测。

1 材料与方法

1.1 试样材料与仪器

库尔勒香梨：采自新疆库尔勒市大墩子乡果园，采样期在2012年11月15日，试样确保无畸形、虫害和损伤，其基本物性见表1。采摘后迅速冷藏，冷藏温度为－2～0℃，相对湿度为85%～90%。试验前，香梨在20℃下放置24h。

表1 香梨试样的基本物性参数Table1 Material properties of Korla pear sample

感压胶片：LLLW型Prescale?双层特超低压，日本Fuji公司；

扫描仪：PerfectionTMV300photo型CCD（电荷耦合器件），日本Fuji公司；

压力图像数字测量分析系统V2.0：FD－8010E型，日本Fuji公司。

自制跌落试样台架：本实验室自制（见图1）。

图1 香梨跌落碰撞测试装置Figure1 Test apparatus for drop impact of Korla pear

1.2 测试方法

1.2.1 香梨跌落碰撞试验 香梨通过真空泵产生负压使吸盘吸附香梨，开关阀关闭，负压消失，香梨试样自由跌落，使香梨的赤道部与不同接触材料接触。碰撞后迅速抓取香梨防止二次碰撞。碰撞后试样在室温下放置7d（168h）充分褐变，损伤面积采用Mohsenin等提出的针对果蔬材料瘀伤测量方法［11］进行计算。

1.2.2 接触应力分布的测量 感压胶片放置在接触材料表面，如图2所示，碰撞后的感压胶片采用扫描仪和颜色校正板读取接触应力分布的特征图，然后经配套的FD－8010E压力图像数字测量分析系统V2.0进行数值解析以及平滑处理，获得参数接触应力分布面积和接触应力分布图像的平滑处理图。

图2 香梨碰撞接触应力分布图的处理Figure2 Mapping of Fujifilm pressure distribution for Korla pear impact

1.2.3 试验因素及水平 根据香梨作业中常用接触材料选取钢板、橡胶板（放置于钢板上）、高抗冲聚乙烯（HDPE）板和瓦楞纸板（放置于钢板上），材料特性见表2。其中瓦楞纸板为双瓦五层，瓦楞齿形UV型，AB型愣型，试验时与钢板应良好固定，每次碰撞后更换，以保证缓冲性能一致；根据梨果作业环节中潜在的跌落高度范围选取8个跌落高度［12］：10，15，20，30，40，60，80，100cm，每一跌落试验重复5次。

表2 接触材料的特性参数Table2 Properties of impact surface materials

2 结果与分析

2.1 香梨跌落碰撞接触应力分布特性

以跌落高度80cm为例，香梨跌落碰撞不同材料时接触应力分布特征见图3。香梨不同接触应力值呈非均匀分布，这可能与香梨的曲面特征和表面凹凸不平有关。香梨与钢板、橡胶板和HDPE板碰撞的接触应力分布呈近椭圆形，≤0.2MPa（绿色显示）应力在边缘分布且分布区域小；香梨与瓦楞纸板碰撞时，由于材料较好的缓冲性能，使接触应力分布的边缘形状不规则，≤0.2MPa的接触应力有较大面积分布，这表明，≤0.2MPa的接触应力可能不会造成香梨果肉损伤。

图3 香梨与4种接触材料跌落碰撞的接触应力分布特征图Figure3 Images of pressure－sensitive distribution for pear impacts against four contact materials

由图4可知，香梨与不同材料碰撞时峰值应力（＞0.5MPa）面积均很小，不超过25mm2，因此峰值应力不是造成香梨损伤的主要原因。香梨与钢板和缓冲性能较低的橡胶板和 HDPE板碰撞时，应力呈正态分布，0.2～0.4MPa范围的应力面积最大，应该构成了香梨损伤面积的主要部分。与之相比，香梨与瓦楞纸板碰撞时，在较低高度跌落的接触应力呈非正态分布特点，≤0.2MPa范围应力面积明显较高，但随着跌落高度增大，0.2～0.3MPa范围应力面积逐渐增大并超过≤0.2MPa范围应力面积，这进一步说明，0.2MPa应该是估测香梨在瓦楞纸板上跌落碰撞损伤面积的临界点。

图4 香梨与4种接触材料碰撞时的接触应力分布Figure4 Contact pressure distributions of Korla pear against four contact materials

2.2 香梨跌落碰撞接触应力分布面积与损伤面积关系

香梨与不同材料在不同高度跌落碰撞时，不同范围的接触应力面积与损伤面积的关系见图5。香梨在30cm跌落高度与钢板、橡胶板和HDPE板碰撞时，＞0MPa范围应力面积（总面积）与损伤面积实测值最为接近，采用总应力面积估测损伤面积的平均相对误差分别为4.84%，1.83%，3.21%。尽管香梨在低高度跌落碰撞钢板、橡胶板和HDPE板时，采用总应力面积估测损伤面积的相对误差较高，分别达到了58.84%，31.90%，15.25%，但可能是香梨微观损伤所产生的褐变较浅而无法准确辨识，致使损伤面积实测误差大。因此，采用＞0MPa范围应力面积可以较准确地估测香梨实际损伤面积。与之相比，香梨与瓦楞纸板碰撞时，≤0.2MPa的应力面积较大，这充分反映了瓦楞纸板对香梨减损的效果。因此从图5（d）可以看出，＞0.2MPa范围的应力面积与损伤面积最为接近，采用＞0.2MPa范围的应力面积估测损伤面积的平均相对误差为6.81%。

图5 香梨与4种接触材料碰撞时的接触应力分布面积与损伤面积比较Figure5 Comparisons of pressured area and bruise area for Korla pear with four counterfaces

3 结论

（1）香梨与钢板及缓冲性能较低的橡胶板、HDPE板跌落碰撞时，应力分布特征为近椭圆形，≤0.2MPa范围应力分布在边缘且面积较小，不同范围应力呈正态分布，0.2～0.4MPa范围的应力面积最大，采用总应力面积能够较准确估测损伤面积，相对误差分别为4.84%，1.83%，3.21%。

（2）当香梨与瓦楞纸板碰撞时，应力分布边缘特征不规则，≤0.2MPa范围应力面积较大，在较低高度跌落的接触应力呈非正态分布特点，采用＞0.2MPa范围的应力面积能够较准确估测损伤面积，相对误差为6.81%。

1 李胜利，马惠兰.加快新疆特色林果业生产机械化发展的思考［J］.新疆农业大学学报.2002，25（增刊）：82～85.

2 Van Zeebroeck M，Van linden V，Darius P.The effect of fruit factors on the bruise susceptibility of apples［J］.Postharvest Biology and Technology，2007，46（1）：10～19.

3 中华人民共和国农业部.NY／T 585－2002库尔勒香梨［S］.北京：中国农业出版社，2002.

4 魏闻东.鲜食梨［M］.郑州：河南科技出版社，2005：75～76.

5 Lewis R，Yoxall A，Marshall M B，et al.Characterizing pressure and bruising in apple fruit［J］.Wear，2008，264：37～46.

6 Herold B，Geyer M，Studman C J.Fruit contact pressure distributions equipment［J］.Computers and Electronics in Agriculture，2001，32（3）：167～179.

7 周祖锷.农业物料学［M］.北京：农业出版社，1994.

8 樊继宏，朱青安，赵卫东，等.压敏片材料在关节生物力学中的应用［J］.中国医学物理学杂志，2001，18（2）：104～106.

9 Lu F，Ishikawa Y，Kitazawa H，et al.Measurement of impact pressure and bruising of apple fruit using pressure－sensitive film technique［J］.Journal of Food Engineering，2010，96（4）：614～620.

10 吴杰，郭康权，葛云，等.香梨果实跌落碰撞时的接触应力分布特性［J］.农业工程学报，2012，28（1）：250～254.

11 Mohsenin N N，Jindal V K，Manor A N.Mechanics of impact of a falling fruit on a cushioned surface［J］.Transaction of the ASAE，1978，34（3）：594～600.

12 Lewis R，Yoxall A，Canty L A，et al.Development of engineering design tools to help reduce apple bruising［J］.Journal of Food Engineering，2007，83（3）：356～365.